JP3746714B2 - ボンディングツール、ボンディングツールを備える電子部品の接合方法、および接合装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、バンプ付き電子部品の基板に形成された電極への接合に用いられるボンディングツール、そのようなボンディングツールを備える電子部品の接合装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
フリップチップなどのバンプ付き電子部品を実装する装置として、超音波圧接を用いる装置が知られている。この装置は、下部に固定したボンディングツールを用いて、バンプ付き電子部品のバンプを基板に形成された電極に超音波振動を付与しながら押圧し接合するものである。以下、図面を参照しながら説明する。
【0003】
図4は、従来のバンプ付き電子部品の接合装置51を示す図である。図4の従来のバンプ付き電子部品の接合装置においては、ボンディングツール53の一端に設けたキャピラリー部55に、バンプ付き電子部品57を吸着させ、その下方に表面に電極が形成された基板59がステージ61上に固定して配置されている。バンプ付き電子部品57は、バンプが形成されている面とが基板59上の電極とが対向するように配置されている。この状態で、ボンディングツール53からバンプ付き電子部品57に超音波振動を付与しながら、バンプ付き電子部品57のバンプを基板59に形成された電極に押圧して接合する。
【0004】
次に、図5および図6を参照して従来のボンディングツール53からバンプ付き電子部品57に付与される振動について説明する。図5は、図4のボンディングツール53を拡大した図である。図6(a)は、ホーン(超音波ホーン)65およびキャピラリー部55における振動の方向および変位量を示す図である。この図において、矢印の示す方向が振動方向であり、矢印の大きさは振動の変位量の大小を示している。図6(b)はホーンの各位置(横軸)におけるホーンの軸心に平行な振動の変位量(縦軸)の変化を示す図である。図5または図6に示すボンディングツール53は、振動子63で作られた振動を、ホーン65を通してキャピラリー部55へ伝える。キャピラリー部55は、ホーンの先端部65aにおいて、その軸心55cがホーンの軸心65cと垂直となるように固定してある。このため、キャピラリー部55に伝えられた振動は、キャピラリー部55の軸心55cに垂直な方向の振動としてキャピラリー部55の先端部55bに吸着されたバンプ付き電子部品57に伝えられる。この状態でバンプ付き電子部品57を基板59に押圧することにより、バンプ付き電子部品57は基板59に形成された電極に接合される。
【0005】
ホーン65を伝播する振動は、図6(a)および図6(b)に示すように、ホーン65を伝播するにつれてその変位量が変化する。図6(b)の例では ホーン65の長さ方向において、2つの節(変位量がゼロとなるところ)と3つの腹(変位量が最大となるところ)が存在し、腹となる位置にキャピラリー部55を固定しているため、大きな振動をキャピラリー部55に伝えることができる。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
(1)図4または図5に示すように従来のボンディングツールにおいては、振動子63の軸心63cとホーン65の軸心65cを同一直線上に設けている。基板59は生産性向上のため複数個取りとなる場合が多く(図示せず)、従って基板59およびステージ61は大面積化する傾向にある。このため、ボンディングツール53と大面積化した基板59および既に基板上に配置された電子部品(図示せず)との干渉を避けるためには、▲1▼ボンディングツール53を図面上方向(Z方向)に配置する、▲2▼ボンディングツール53の保持部66や振動子63を水平方向(X方向)に延伸した位置に配置する、などといった方法が考えられる。
【0007】
前記▲1▼の方法を採った場合は、キャピラリー部55の長さに影響し、その強度および振動特性に影響を与えるため、ボンディングツール53を上方向(Z方向)に移動配置するには限度がある。同様に前記▲2▼の方法を採った場合は、ホーン65の長さに影響し、その強度および振動特性に影響を与えるため、ボンディングツール53を水平方向(X方向)に延伸するには限度がある。
【0008】
さらに、前記▲2▼の方法を採り、大面積化した基板59に可能な限り対応できるようにボンディングツール53を延伸した場合、バンプ付き電子部品の接合装置51の持つ回転機能によりボンディングツール53を回転させる際に、ステージ61の周辺に存在する各種機構(図示せず)との干渉を考慮する必要があり、それらを水平方向(X方向)に待避させた位置に配置をすると、必然的にバンプ付き電子部品の接合装置全体の大型化を招く要因となっていた。
【0009】
そこで、本発明の目的は水平方向における小型化を実現することができるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することにある。
【0010】
(2)従来の接合装置においては、キャピラリー部55はその一部をホーン65に固定されており、かつ弾性を有するものであるため、キャピラリー部55を伝わる振動は、先端部55bへ伝播するにしたがい変位量が変化する。この振動の変位量の変化の様子を示したものが図7および図8である。図7は、変位量がゼロとなる点(節)が二つ存在する場合(2次の共振モード)の変位量の変化を示す図である。図8は、変位量がゼロとなる点(節)が一つだけ存在する場合(1次の共振モード)の変位量の変化を示す図である。
【0011】
このように構成された半径rのキャピラリー部55の振動は、先端部55bにおいて弧に類似した曲線を描くように振動するため、図9に示す通りZ方向成分を含んだ振動となる。ここで、図9はキャピラリー部先端(電子部品の吸着部)の振動の方向と、そのZ方向成分を示す図である。
このような振動を用いて、バンプと電極とを接合する場合には、バンプ付電子部品に伝えられる振動のZ方向成分は、キャピラリー部の径方向の中央部55eでもっとも弱くなり、かつキャピラリー部の径方向の端部55fおよび55rでそれぞれZ2、Z1となり、Z2または/およびZ1がもっとも強くなる傾向にある。このため、バンプに対して均一に振動を加えることができず、キャピラリー部の径方向の中央部55eに対向する部分では接合が弱く、キャピラリー部の径方向の端部55fおよび55rに対向する部分では接合が強くなりやすく、全体として不均一となりやすい。さらに、与えられる振動が不均一であることに起因して、キャピラリー部の径方向の中央部55eに対向する部分の接合強度を十分に得ようとすると、キャピラリー部の径方向の端部55fおよび55rに対向する部分では、バンプ、電極または基板等にクラックが入る場合がある。
【0012】
そこで、本発明のさらなる目的は、バンプ付き電子部品のバンプの基板に形成された電極への接合において、均一な接合を実現できるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することにある。また、本発明のさらなる目的は、電子部品へのダメージを少なくできるとともに、接合強度を向上でき、かつ、信頼性の高い接合が可能なバンプ付き電子部品の接合装置を提供することにある。
【0013】
本発明の上記以外の目的及び本発明の特徴とするところは、添付図面を参照しつつ以下の詳細な説明を読むことにより、一層明確になるであろう。
【0014】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のボンディングツールにおいては、超音波振動を発生可能な振動源と、一端において振動源と結合され、振動源で発生した振動を他端へ伝播可能な超音波ホーンと、超音波ホーンの他端に結合され、超音波ホーンにより伝播された振動を電子部品に付与可能な振動付与部と、を備え、超音波ホーンの軸心の一部が湾曲している。
【0015】
また、本発明の電子部品の接合装置においては、超音波振動を発生可能な振動源と、一端において振動源と結合され、振動源で発生した振動を他端へ伝播可能な超音波ホーンと、超音波ホーンの他端に結合され、超音波ホーンにより伝播された振動を電子部品に付与可能な振動付与部と、を有するボンディングツールを備え、電子部品を、基板に形成された電極に、ボンディングツールにより超音波を付与しつつ押圧することにより接合し、超音波ホーンの軸心の一部が湾曲している。
【0016】
また、振動付与部の長さは、超音波ホーンから与えられた振動が振動付与部を電子部品へ伝播するときに、該超音波ホーンと該電子部品との間に振動の節が発生しない長さである。
【0017】
さらに、本発明の接合装置においては、超音波振動を発生可能な振動源と、振動源に結合され、振動源で発生した振動を伝播可能な超音波伝達部材と、超音波伝達部材に結合され、超音波伝達部材により伝播された振動を対象物に付与可能な振動付与部材と、を備え、対象物を、被接合対称物に、振動を付与しつつ押圧することにより接合し、超音波伝達部材の軸心の一部が湾曲している。
【0018】
【実施例】
本発明にかかる実施例について説明する。ここで、図1は、本実施例のバンプ付き電子部品の接合装置1を示す図である。図2は、図1の超音波振動を与えるためのボンディングツール3を拡大した図である。
【0019】
まず、本実施例の概略構成について説明する。本実施例のバンプ付き電子部品の接合装置1は、本体部2、ボンディングツール3およびステージ4などからなる。
【0020】
本体部2は、固定ブロック5と、垂直方向駆動機構6と、加圧機構7とからなる。垂直方向駆動機構6は、固定ブロック5に固定された軸受け6aとその軸受けを貫くボールネジ軸6bとからなる。加圧機構7は、複数の軸受け7a、7c、7eと軸7b、7d、7fを鉛直方向(Z方向)に直列にならべたものであって、垂直方向駆動機構のボールネジ軸6bに固定されている。加圧機構7の下端には、保持部8を介してボンディングツール3を固定可能である。このように、構成した本実施例の接合装置1においては、垂直方向駆動機構6と加圧機構7の作用により、接合にかかる電子部品に合わせて、ボンディングツール3を上下方向に移動させることができる。また、加圧機構7により、接合時に電子部品にかける圧力を調整することができる。
【0021】
ボンディングツールについては後に詳述するため、ここではその概略を説明する。ボンディングツール3の先端部にはキャピラリー部(振動付与部)10が固定されている。キャピラリー部10の下端には、吸着器(不図示)によりバンプ付き電子部品11を吸着することができる。キャピラリー部10の下方には電極が形成された基板12を固定して配置するためのステージ4が設けられている。ステージ4は、水平方向(X−Y方向)に移動しても、常にボンディングツール3先端のキャピラリー部10の下方に位置するようになっている。バンプ付き電子部品11は、バンプが形成されている面が基板12の電極側に対向するように配置している。また、加圧機構7により、バンプ付き電子部品11を基板12に押圧することができる。この状態で、ボンディングツール3のキャピラリー部10からバンプ付き電子部品11に振動子15によって発生する超音波振動を付与しながら、バンプ付き電子部品11のバンプを基板12に形成された電極に押圧して接合することができる。
【0022】
本実施例においては、ボンディングツールの構成およびキャピラリー部の形状に主な特徴があるため、これらについて以下で順次説明する。
【0023】
(1)ボンディングツール
本実施例のボンディングツール3は、バンプ付き電子部品の接合装置の本体部2に保持部8を介して固定されており、振動源としての振動子15およびホーン17(超音波ホーン)から構成される。振動子15およびホーン17それぞれの軸心15cおよび17cは同一線上にある。ホーン17は直線部19、湾曲部21および先端部23からなる。直線部19および先端部23はそれらの軸心19cおよび23cは直線であるが、直線部19および先端部23の間に位置する湾曲部21においては、その軸心21cは、円の一部を構成するように湾曲している。また、振動子15およびホーン17の直線部19の軸心は、水平方向(X方向)に対して一定の傾斜を有する直線である。先端部23の軸心23cは、水平方向と平行な直線である。湾曲部21の軸心21cは、直線部19と先端部23との境界(点線)25および27において、その接線が直線部19および先端部23のそれぞれの軸心19c、23cと同一直線となるような曲線を構成している。
【0024】
なお、キャピラリー部10は、その保持部10aがホーンの先端部23に固定されており、キャピラリー部の軸心10cは鉛直方向(Z方向)と平行であるため、ホーンの先端部23の軸心23cと直交する関係にある。本実施例のキャピラリー部10の形状については後に詳細に述べる。
【0025】
次に、本実施例のボンディングツールのホーンにおける振動の伝播について説明する。ここで、図3は、本実施例のホーン17およびキャピラリー部10における振動の方向および変位量を示す図である。この図において、矢印の示す方向が振動方向であり、矢印の大きさは振動の変位量の大小を示している。この図から分かるように、振動方向は、ホーン17の直線部19および先端部23において軸心に平行である。また、ホーンにおける振動は、ホーンの湾曲部21においては湾曲した軸心21cの方向に伝播される。したがって、振動子15の軸心15cに平行な振動として発せられた振動は、図3に示すように、先端部23の軸心に沿った振動としてキャピラリー部10に伝播する。また、ホーン17を伝播する振動は、従来と同様に振動の節と腹が存在するため、ホーン17の先端部23において振幅が最大(腹)となる位置にキャピラリー部10を固定すれば、大きな振動をキャピラリー部10に伝えることができる。このように伝播した振動は、ホーン17の先端部23に固定されたキャピラリー部10に伝達され、キャピラリー部10では、その軸心10cに垂直なX方向の振動として、キャピラリー部先端部10bへ伝達され、バンプ付き電子部品の電極への超音波接合11に供される。したがって、本実施例においては、キャピラリー部に対してX方向の振動を与えることができるため、従来と同様の超音波接合の効果を有すると同時に、ホーンに湾曲部を設けることにより装置の水平方向の小型化を図ることができるという効果を得られる。
【0026】
(2)キャピラリー部
次に、本実施例で用いられるキャピラリー部10について述べる。
キャピラリー部10は、その軸心10cとホーン17の先端部23の軸心23cとが直交するように、その保持部10aがホーンの先端部23に固定されている。このように構成されたキャピラリー部10では、ホーン17から伝播された振動は、その軸心10cの方向に垂直なX方向の振動として伝播される。この振動は、キャピラリー部10の保持部10aで振幅が最大(腹)となっている。また、キャピラリー部10は弾性を有する材料からなる。このため、キャピラリー部10が軸心10cの方向に長い場合には、振動の変位量がゼロとなる点(節)が存在することがありうる。しかし、本実施例のキャピラリー部10の軸心10cの方向の長さは、振動がキャピラリー部10の先端部10bまで伝播しても、キャピラリー部に振動の変位量がゼロとなる点(節)が存在しないような長さとなっている。さらに、キャピラリー部10の軸心10cの方向の長さは、バンプ付き電子部品と接触するキャピラリー部先端部10bにおける振動のZ方向成分の影響が無視でき、保持部10aと先端部10bとで振動の変位量の差がほとんどないような長さが好ましい。
【0027】
このように構成されたキャピラリー部10の先端部10bは、従来のように弧に類似した曲線を描いて振動することはほとんどなく、水平方向(X方向)に振動することとなる。このため、バンプと電極とを接合するときにバンプ付き電子部品11に伝える振動は、すべてのバンプに対して均一とすることが可能である。よって、バンプと電極との接合は、全体として均一とすることができるため、バンプ、電極または基板等にクラックが入るような不具合は発生しない。
【0028】
また、ホーン17の一部に湾曲部21を設けているため、キャピラリー部10を短くしてボンディングツール3とバンプ付き電子部品11との距離が短くなっても、保持部8、ホーン17または振動子15がバンプ付き電子部品11に接触して、電子部品11や基板12を破損させることはない。
【0029】
以上のように構成したことにより、バンプ付き電子部品のバンプの基板に形成された電極への接合において、均一な接合を実現できるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。さらに、電子部品へのダメージを少なくできるとともに、接合強度を向上でき、かつ、信頼性の高い接合が可能なバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。
【0030】
以下に、本実施例の変形例について述べる。
本実施例においては、ホーン17の直線部19および振動子15の軸心は、水平方向に対して一定の傾斜角度を有することとしていたが、ホーン先端23にその軸心23cと平行な振動が伝播される角度であれば、いづれの角度であってもよい。さらに、ホーン17および振動子15は、図面の奥行き方向、手前方向等任意の方向に配置することも可能である。
【0031】
ホーン17の湾曲部21の軸心21cが構成する円の半径は任意の値を取ることが可能である。また、湾曲部21の軸心21cは、円以外の非直線的形状(例えば、楕円)の一部を構成するものであってもよい。さらに、ホーンの構成は湾曲部がなく複数の直線部のみからなる構成としてもよい。
【0032】
本実施例においては、ホーン17の軸心17cは二つの直線部と一つの湾曲部とから構成されていたが、直線部19の軸心19cを持たずに構成しても良い。
【0033】
本実施例においては、ホーン先端部23の長さはゼロより大きな任意の値をとることができる。
【0034】
本実施例においては、キャピラリー部10の保持部10aにおいて、振動の振幅が最大(腹)となるようにしていたが、バンプと電極の接合条件によっては、キャピラリー部10の保持部10aが振動の振幅が最大(腹)となる箇所から外れていてもよい。
【0035】
本発明について上記実施例を参照しつつ説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、改良の目的または本発明の思想の範囲内において改良または変更が可能である。
【0036】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によると、水平方向の小型化を実現することのできるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。また、バンプ付き電子部品のバンプの基板に形成された電極への接合において、均一な接合を実現できるバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。さらに、電子部品へのダメージを少なくできるとともに、接合強度を向上でき、かつ、信頼性の高い接合が可能なバンプ付き電子部品の接合装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本実施例のバンプ付き電子部品の接合装置を示す図である。
【図2】 図1の超音波振動を与えるためのボンディングツールを拡大した図である。
【図3】 本実施例のホーンおよびキャピラリー部における振動の方向および変位量を示す図である。
【図4】 従来のバンプ付き電子部品の接合装置を示す図である。
【図5】 図4の超音波振動を与えるためのボンディングツールを拡大した図である。
【図6】 (a)は、超音波ホーン(ホーン)およびキャピラリー部における振動の方向および変位量を示す図である。(b)はホーンの各部位における振動(ホーンの軸心に平行な方向の振動)の変位量の変化を示す図である。
【図7】 変位量がゼロとなる点(節)が二つ存在する場合(2次の共振モード)の変位量の変化を示す図である。
【図8】 変位量がゼロとなる点(節)が一つだけ存在する場合(1次の共振モード)の変位量の変化を示す図である。
【図9】 キャピラリー部先端(電子部品の吸着部)の振動の方向と、そのZ方向成分を示す図である。
【符号の説明】
1 電子部品の接合装置
3 ボンディングツール
10 キャピラリー部
15 振動子
17 超音波ホーン
21 湾曲部
Claims (5)
- 電子部品の接合装置に用いるボンディングツールであって、
超音波振動を発生可能な振動源と、一端において該振動源と結合され、該振動源で発生した振動を他端へ伝播可能な超音波ホーンと、該超音波ホーンの該他端に結合され、該超音波ホーンにより伝播された振動を電子部品に付与可能な振動付与部と、を備えるボンディングツールであって、
該超音波ホーンの軸心の一部が湾曲しており、
該超音波ホーンの他端近傍は水平方向と平行な軸心を有し、前記超音波ホーンの一端近傍は該水平方向に対して一定の傾斜を有する軸心を有することを特徴とする電子部品の接合装置に用いるボンディングツール。 - 電子部品の接合装置であって、
超音波振動を発生可能な振動源と、一端において該振動源と結合され、該振動源で発生した振動を他端へ伝播可能な超音波ホーンと、該超音波ホーンの該他端に結合され、該超音波ホーンにより伝播された振動を電子部品に付与可能な振動付与部と、を有するボンディングツールを備え、
該電子部品を、基板に形成された電極に、ボンディングツールにより超音波を付与しつつ押圧することにより接合する電子部品の接合装置であって、
該超音波ホーンの軸心の一部が湾曲しており、
該超音波ホーンの他端近傍は水平方向と平行な軸心を有し、前記超音波ホーンの一端近傍は該水平方向に対して一定の傾斜を有する軸心を有することを特徴とする電子部品の接合装置。 - 電子部品の接合装置に用いるボンディングツールであって、
超音波振動を発生可能な振動源と、一端において該振動源と結合され、該振動源で発生した振動を他端へ伝播可能な超音波ホーンと、該超音波ホーンの該他端に結合され、該超音波ホーンにより伝播された振動を電子部品に付与可能な振動付与部と、を備えるボンディングツールであって、
該超音波ホーンの軸心の一部が湾曲して、
該振動付与部の長さは、該超音波ホーンから与えられた振動が該振動付与部を電子部品へ伝播する時に、該超音波ホーンと該電子部品との間に振動の節が発生しない長さであることを特徴とする電子部品の接合装置に用いるボンディングツール。 - 電子部品の接合装置であって、
超音波振動を発生可能な振動源と、一端において該振動源と結合され、該振動源で発生した振動を他端へ伝播可能な超音波ホーンと、該超音波ホーンの該他端に結合され、該超音波ホーンにより伝播された振動を電子部品に付与可能な振動付与部と、を有するボンディングツールを備え、
該電子部品を、基板に形成された電極に、ボンディングツールにより超音波を付与しつつ押圧することにより接合する電子部品の接合装置であって、
該超音波ホーンの軸心の一部が湾曲しており、
該振動付与部の長さは、該超音波ホーンから与えられた振動が該振動付与部を電子部品へ伝播する時に、該超音波ホーンと該電子部品との間に振動の節が発生しない長さであることを特徴とする電子部品の接合装置。 - 超音波振動を発生可能な振動源と、該振動源に結合され、該振動源で発生した該振動を伝播可能な超音波伝達部材と、該超音波伝達部材に結合され、該超音波伝達部材により伝播された該振動を対象物に付与可能な振動付与部材と、を備え、
該対象物を、被接合対象物に、該振動を付与しつつ押圧することにより接合する接合装置であって、
該超音波伝達部材の軸心の一部が湾曲しており、
該超音波伝達部材において該振動源と結合される一端部近傍は水平方向に対して一定の傾斜を有する軸心を有し、前記超音波伝達部材の他端部近傍は該水平方向と平行な軸心を有することを特徴とする接合装置。
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